Vou usar apenas este experimento, que foi projetado para conter todo o mistério da mecânica quântica, para confrontá-los com os paradoxos, mistérios e peculiaridades da natureza em sua totalidade. Qualquer outra situação na mecânica quântica, como se vê, sempre pode ser explicada dizendo: 'Vocês se lembram do caso do experimento com os dois buracos É a mesma coisa'.

A natureza da lei física, capítulo 6

Mostraremos que o (único) mistério da mecânica quântica é como meras "probabilidades" podem controlar causalmente (estatisticamente) as posições das partículas materiais — como informações imateriais podem afetar o mundo material. Isso permanece um profundo mistério metafísico .

O experimento da dupla fenda foi, até recentemente, em grande parte um experimento mental, visto que é difícil construir uma demonstração barata, mas suas previsões foram verificadas de diversas maneiras desde a década de 1960, principalmente com elétrons. Recentemente, CCDs extremamente sensíveis, usados em fotografia, foram utilizados para coletar eventos de fóton único, estabelecendo experimentalmente tudo o que Albert Einstein imaginou, simplesmente pensando sobre o assunto, já em 1905.

A luz no ponto amarelo desaparece lentamente à medida que a segunda fenda se abre!
Adicionar luz faz com que parte da luz desapareça!

O experimento da dupla fenda demonstra melhor do que qualquer outro experimento que uma função de onda quântica ψ é uma amplitude de probabilidade que pode interferir consigo mesma , produzindo locais onde a probabilidade de |ψ| ^² (o quadrado do valor absoluto da amplitude de probabilidade complexa) de encontrar uma partícula quântica é, na verdade, zero.

Talvez o aspecto mais contraintuitivo do experimento da dupla fenda seja quando observamos primeiro o padrão de luz na tela com apenas uma fenda aberta, e depois abrimos a segunda fenda — admitindo mais luz no experimento — e notamos que alguns pontos na tela onde havia luz visível através de uma fenda agora escureceram! E isso acontece mesmo quando admitimos apenas uma partícula de luz por vez. Como Feynman perguntou, pode essa única partícula saber que duas fendas estão abertas?

As ondas de luz são frequentemente comparadas às ondas na água, assim como as ondas de probabilidade quântica, mas esta última comparação é um erro grave. Ondas na água e ondas de luz (assim como ondas sonoras) contêm algo substancial como matéria ou energia. Mas as ondas quânticas são apenas informação abstrata — possibilidades matemáticas. Como nos diz Paul Dirac , as funções de onda quânticas não são substâncias.

Desenho de Young de 1802 sobre interferência de ondas;
Ondas na água em um lago;
Dr. Quantum e o experimento da dupla fenda

Acredita-se que o experimento da dupla fenda demonstre o famoso "colapso" da função de onda ou "redução" do pacote de ondas, o que revela um elemento probabilístico inerente à mecânica quântica, irremediavelmente ontológico e nada semelhante à indeterminação epistemológica (ignorância humana) da física estatística clássica. Veremos adiante que a ideia da onda de luz "colapsando" instantaneamente para se tornar uma partícula foi concebida pela primeira vez por Einstein em 1905. Trata-se de um equívoco, ainda amplamente difundido.

Note que a amplitude de probabilidade ψ é pura informação . Não é matéria nem energia. Quando uma função de onda "colapsa" ou "atravessa ambas as fendas" neste experimento deslumbrante, nada material ou energético está viajando mais rápido que a velocidade da luz ou atravessando ambas as fendas.

Argumentamos que a partícula de matéria ou energia sempre passa por apenas uma fenda, embora a popular interpretação de Copenhague da física afirme que não podemos conhecer a trajetória da partícula, que uma trajetória sequer existe até que façamos uma medição, que a partícula pode estar em mais de um lugar ao mesmo tempo, e outros absurdos semelhantes que incomodavam profundamente Einstein , que almejava uma "realidade objetiva" independente dos observadores humanos. ( A "teoria da onda piloto" de David Bohm concorda que uma partícula objetivamente real viaja por uma fenda, guiada por sua onda piloto, que viaja por ambas.)

Um grande número de panpsiquistas , alguns filósofos e alguns cientistas acreditam que a mente de um observador consciente é necessária para causar o colapso da função de onda .

Algo semelhante ocorre nos experimentos mentais de Einstein-Podolsky-Rosen , onde a medição de uma componente de spin específica de uma partícula significa que a outra partícula agora possui o valor exatamente oposto da sua mesma componente de spin, para conservar o spin total em zero. Nada físico (matéria ou energia) é transmitido para a outra partícula "emaranhada". A ideia de que um fragmento imaterial de informação é "teletransportado" para a outra partícula também é equivocada. Os spins antiparalelos são criados simultaneamente, em um referencial especial. Não há violação da relatividade. Mostraremos que é a conservação do momento angular ou do spin que torna o estado da segunda partícula coerentemente emaranhada determinado, independentemente da distância que ela possa estar após a medição.

No experimento de dupla fenda, assim como no experimento de três polarizadores de Dirac , o caso crítico a ser considerado é o de apenas um fóton ou elétron por vez no experimento.

Ao analisar uma partícula por vez (seja um fóton ou um elétron), o objeto quântico é erroneamente descrito como interferindo consigo mesmo, quando a interferência nunca é observada em um único evento. A interferência só se manifesta nas estatísticas de um grande número de experimentos.

Mesmo no caso de uma única fenda, franjas de interferência são visíveis quando um grande número de partículas está presente, embora isso raramente seja descrito no contexto do mistério quântico de duas fendas .

É a relação fundamental entre uma partícula e a onda associada que controla a localização provável de uma partícula que levanta a questão da "realidade local", inicialmente observada em 1905 e descrita em 1909 por Albert Einstein . Trinta anos depois, o artigo de EPR e as descobertas de Erwin Schrödinger sobre a função de onda de duas partículas emaranhadas convenceram os físicos de que havia um problema profundo.

Foi somente trinta anos depois, em 1964, que John Stewart Bell idealizou um teste experimental capaz de confirmar ou refutar a mecânica quântica. Ironicamente, o objetivo do "teorema" de Bell era invalidar os aspectos não intuitivos da mecânica quântica e restaurar a esperança de Einstein em uma visão mais determinística de uma "realidade objetiva" no nível microscópico da física quântica, ou talvez até mesmo abaixo dele.

Quase na mesma época, em suas famosas Palestras de Física no Caltech e nas Palestras Messenger em Cornell, Richard Feynman descreveu o experimento da dupla fenda como uma demonstração do que ele afirmava ser o "único mistério" da mecânica quântica.

Podemos, portanto, iniciar a discussão sobre o experimento da dupla fenda com um trecho da sexta palestra de Feynman no Messenger, intitulada "Probabilidade e Incerteza". Disponibilizamos o vídeo e o texto completos da palestra nesta página , e uma versão que começa com a provocativa afirmação de Feynman de que "ninguém entende a mecânica quântica" abaixo.

Como, pergunta Feynman, uma única partícula pode passar por ambas as fendas Nossa resposta (e a de David Bohm ) é que cada partícula passa por uma fenda, conservando matéria e energia. A partícula sempre passa por uma única fenda. Uma partícula não pode estar dividida e em dois lugares ao mesmo tempo. É a função de onda que interfere consigo mesma. E a partícula altamente localizada não pode ser identificada com a onda amplamente distribuída no espaço. A função de onda ψ é determinada resolvendo-se a equação de Schrödinger, dadas as condições de contorno do aparelho de medição (o recipiente). Veremos que o que passa por ambas as fendas é apenas informação imaterial — a função de onda de amplitude de probabilidade ψ(t) — se resolvermos a equação de Schrödinger dependente do tempo.

A função de onda imaterial exerce uma influência causal sobre as partículas, uma influência que podemos justificadamente chamar de "misteriosa". Isso resulta em estatísticas de muitos experimentos concordando com as previsões da mecânica quântica, com precisão crescente à medida que aumentamos o número de experimentos idênticos.

É essa "influência", e não uma "força" comum, que constitui o "único mistério" de Feynman na mecânica quântica.

Vamos analisar primeiro o caso de uma fenda única. Preparamos uma fenda com tamanho aproximadamente igual ao comprimento de onda da luz para observar os efeitos da difração de Fraunhofer com maior clareza. Ondas paralelas provenientes de uma fonte distante incidem sobre a fenda por baixo. O diagrama mostra que a onda proveniente da borda esquerda da fenda interfere com a onda proveniente da borda direita. Se a largura da fenda for d e o comprimento de onda do fóton for λ, em um ângulo α ≈ λ/2d haverá interferência destrutiva. Em um ângulo α ≈ λ/ d , há interferência construtiva (que se manifesta como a dispersão de padrões de raios nas ondas interferentes na ilustração). A interferência construtiva leve leva à formação dos picos no padrão de interferência.

A altura da função ou curva na parte superior do diagrama é proporcional ao número de fótons que incidem sobre a tela. Inicialmente, eles são pixels individuais em um CCD ou grãos em uma placa fotográfica, mas com o tempo e com um número muito grande de fótons, eles aparecem como gradientes contínuos de luz na faixa abaixo (representamos essa intensidade como a altura da função).

E agora, o que acontece se adicionarmos uma segunda fenda Talvez devêssemos começar mostrando o que acontece se realizarmos o experimento com a primeira fenda aberta por um tempo e, em seguida, com a segunda fenda aberta pelo mesmo período. Nesse caso, a altura da curva de intensidade é a soma das curvas para cada fenda individual.

Mas essa não é a curva de intensidade que obtemos quando as duas fendas estão abertas simultaneamente! Em vez disso, vemos muitas novas franjas de interferência com ângulos de largura muito menores, α ≈ λ/ D , onde D agora é a distância entre as duas fendas. Observe que o envelope geral da curva é semelhante ao de uma grande fenda de largura D. E observe também muito mais ramificações de interferência construtiva nas ondas sobrepostas.

Lembrando que a interferência de dupla fenda aparece mesmo que apenas uma partícula por vez incida sobre as duas fendas, entendemos por que muitos dizem que a partícula interfere consigo mesma. Mas é a função de onda, e somente ela, que interfere consigo mesma. Independentemente da fenda pela qual a partícula passe, é a amplitude de probabilidade ψ, cujo módulo ao quadrado |ψ| ^², nos dá a probabilidade de encontrar uma partícula em algum lugar, o padrão de interferência. Ele é o que é porque as duas fendas estão abertas .

Este é o mistério metafísico mais profundo da mecânica quântica. Como uma onda de probabilidade abstrata pode influenciar as trajetórias das partículas a ponto de causar interferência quando um grande número de partículas é coletado?

Quando apenas uma fenda está aberta (neste caso, a fenda da esquerda), o padrão de probabilidades apresenta um grande máximo (diretamente atrás da fenda) e pequenas franjas laterais. Se apenas a fenda da direita estivesse aberta, esse padrão se deslocaria para trás da fenda da direita. Se somarmos os resultados de alguns experimentos com a fenda esquerda aberta e outros com a fenda direita aberta, não observamos as múltiplas franjas que aparecem com as duas fendas abertas.	Quando ambas as fendas estão abertas, o máximo agora se encontra no centro entre as duas fendas, há mais franjas de interferência e essas probabilidades se aplicam independentemente da fenda pela qual a partícula entra . A solução da equação de Schrödinger depende das condições de contorno — que são diferentes quando dois orifícios estão abertos. O "único mistério" permanece: como essas "probabilidades" podem exercer controle causal (estatisticamente) sobre partículas de matéria ou energia A formulação de Feynman sobre a integral de caminho na mecânica quântica sugere a resposta. Suas "partículas virtuais" exploram todo o espaço (a "soma sobre os caminhos") à medida que determinam o mínimo variacional para a menor ação; assim, pode-se dizer que a função de onda de amplitude de probabilidade resultante "sabe" quais buracos estão abertos.